中科院計(jì)算所孫曉明：量子電路與芯片理論

量子電路模型是描述量子算法的一種通用語(yǔ)言，其將量子算法表示為一系列量子門和測(cè)量等操作。許多著名量子算法（包括 Shor 算法、Grover算法和 HHL 算法等）都使用量子電路模型來(lái)給出具體描述。除此之外，量子電路模型也被廣泛應(yīng)用于量子物理、化學(xué)系統(tǒng)的模擬。目前，量子計(jì)算已經(jīng)進(jìn)入含噪中尺度量子（noisy intermediate-scale quantum，NISQ）時(shí)代，物理實(shí)驗(yàn)硬件所能支持的量子電路規(guī)模、深度和量子比特?cái)?shù)都存在固有限制，量子電路的優(yōu)化程度直接影響著量子計(jì)算機(jī)的適用范圍。針對(duì)各種實(shí)際計(jì)算問(wèn)題，設(shè)計(jì)規(guī)模盡量小、深度盡量淺、比特?cái)?shù)盡量少的量子電路是量子電路領(lǐng)域的重要研究方向之一。另外，刻畫不同資源稟賦下量子電路的計(jì)算能力以及與經(jīng)典電路計(jì)算能力的差異也是一個(gè)重要研究方向。

量子芯片是將量子電路小型化、集成化的工程化實(shí)現(xiàn)，是量子計(jì)算與量子通信等任務(wù)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化與商業(yè)化的必然路徑。根據(jù)量子電路所依賴物理平臺(tái)的不同，量子芯片的技術(shù)路線可以分為超導(dǎo)量子芯片、半導(dǎo)體量子點(diǎn)量子芯片、光量子芯片等。目前，超導(dǎo)量子芯片從可集成的量子比特規(guī)模上領(lǐng)先于其他系統(tǒng)；半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)由于其良好的擴(kuò)展性和集成性，是實(shí)現(xiàn)固態(tài)量子計(jì)算的有力候選者；光學(xué)量子系統(tǒng)由于傳統(tǒng)光芯片工藝和光通信技術(shù)的積累，在工程層面具有天然優(yōu)勢(shì)。量子芯片目前最主要的挑戰(zhàn)是量子門的保真度、弛豫時(shí)間、串?dāng)_和測(cè)量誤差，未來(lái)發(fā)展的重要方向之一是實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的電路集成，并不斷提升量子比特相干特性、操控精度與速度以及可擴(kuò)展性。

該前沿相關(guān)的核心論文發(fā)表情況見(jiàn)表 1.1.1，2016—2021 的核心論文逐年發(fā)表情況見(jiàn)表 1.1.2。

（內(nèi)容取自《全球工程前沿2022》）

審核編輯 ：李倩